低噪声电源噪声测量

本文面向科研用户,给出低噪声电源 icePower0.1 Hz–50 kHz 带内噪声的标准化测量流程:采用“低噪声前置放大器 + 数据采集卡(DAQ)”,用 Welch 方法估计噪声功率谱密度(PSD),并在指定带宽积分得到 µV(RMS)。文中明确增益/带宽设置、抗混叠、负载条件、校准步骤与结果表达规范,便于复现与横向对比。

测量目标与口径

  • 带内均方根噪声:在声明频带(示例:0.1 Hz–50 kHz)对 PSD 积分并开方,单位 µV(RMS)。
  • 代表性频点噪声密度:如 1 kHz 处的 SV(f)(nV/√Hz),便于横向对比。
  • 负载口径:测试需给出各路电压/电流与负载类型(阻性/有源),并保持一致。

典型结果口径(示例)

  • 带内噪声:2.8–14 µV(RMS,0.1 Hz–50 kHz)。
  • 代表性频点:SV(1 kHz) < 20 nV/√Hz(−5 V 通道)。

测试架构与连接

  • 链路:被测通道 → 低噪声前置放大器(如 SRS560)差分输入 → DAQ(≥16 bit,建议 ≥200 kS/s)。
  • 线缆/屏蔽:同轴或屏蔽双绞,金属屏蔽箱;机壳与地等电位;星形单点接地。
  • 输出与负载:+3.3 V、±5 V、±15 V 等多路;按应用设置阻性/有源负载并记录实际电流;建议通过 DB9(母头)引出,线规与长度一致。
icePower 带内噪声测量链路
图 1|放大器 + DAQ 的频域测量架构

推荐设置与参数

设置项建议起点说明
高通(HPF)0.1–0.3 Hz抑制直流漂移与极低频摆动;用于频谱估计时可开;最终报告需在“无陷波”条件下复核一次
低通(LPF)100 kHz留 2× 带宽余量给抗混叠与采样
前置增益100×–10000×避免饱和;跨两档以上复核线性
采样率≥ 2 × LPF(建议 ≥ 200 kS/s)配合前端或 DAQ 的抗混叠低通
记录时长每通道 30–120 s低频端需要更长记录可适当延长

校准与本底

  • 短路本底:前置输入短接,记录 30–60 s,获得系统本底 PSD。
  • 增益/频响标定:注入已知幅度的低噪声正弦/多频信号,拟合传递函数并修正总增益。
  • 线性一致性:跨 ≥2 个增益档位重复,确认 PSD 与增益近似成比例,高频滚降与 LPF 设置一致。

采集与处理

  • Welch 频谱估计:Hann 窗;段长 8k–16k;重叠 50%;平均 ≥ 20 段;频轴用对数刻度。
  • 带内 RMS:在 0.1 Hz–50 kHz 对 PSD 数值积分并开方,得到 µV(RMS);同时绘制“累计 RMS–上截止频率”曲线。
  • 工频与谐波:陷波可用于“对比验证”;正式报告需在无陷波条件下复核一次,避免掩盖真实谱形。
icePower PSD 与累计 RMS
图 2|低噪声电源PSD

结果(示例)

项目代表值说明
带内噪声2.8–14 µV(RMS,0.1 Hz–50 kHz)对 PSD 在带内积分
1 kHz 噪声密度< 20 nV/√Hz(−5 V)频域代表点,便于横向对比
默认输出+3.3 V、±5 V、±15 V(5 路)支持定制电压/路数
接口DB9(母头)线规/长度一致性、屏蔽良好

常见问题与排查

  • 前置饱和/压限:高频端“削平”或 RMS 偏大 → 降低增益或加前端衰减。
  • 地环:50/100 Hz 梯级显著 → 改星形地,尝试电池/隔离供电。
  • 负载耦合:有源负载振铃或共模注入 → 用等效阻性负载做 A/B 对比定位。
  • 带宽与参数未对齐:RMS 无法对比 → 统一频带、窗口、平均次数与采样率。

报告规范清单(便于对比与复现)

  • 给出单位与频带:RMS 的积分带宽(示例 0.1 Hz–50 kHz);代表性频点噪声密度(如 1 kHz)。
  • 采集参数:采样率、记录时长;放大器 HPF/LPF 与增益;抗混叠策略。
  • 校准说明:短路本底、增益/频响标定、跨档线性一致性。
  • 负载条件:各路电压/电流、负载类型与接线;线缆长度与屏蔽。

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